嚙合式電動機經濟型反饋控制系統研究

趙乾麟，柳 文

(浙江乾麟縫制設備有限公司，麗水323000)

0 引 言

嚙合式電動機是一種新型直驅電動機，其運行原理在文獻［1 -4］中都有論述。跟無刷電動機一樣，嚙合式電動機需要控制裝置才能運轉，近年來許多研究人員設計了不同的控制系統。文獻［5 -8］設計了基于DSP 芯片的控制器，文獻［9］設計了基于32 位ARM 芯片的控制系統，它們的共同特點是采用了32 位主控芯片和增量式光電編碼器，32 位主控芯片成本昂貴，不利于推廣應用;增量式光電編碼器作為轉子位置反饋，分辨率高，但成本高且難以判斷轉子的絕對位置。文獻［5 -9］也都沒給出具體的角度位置控制方法，文獻［10］設計了測量轉子絕對位置的傳感器，省去了光電編碼器，不足之處是光耦數多，4 相電機用了4 個光耦;文獻沒給出光耦信號之間的角度測量細分方法，因而不能實現變開關角控制，所用的FPGA 主控芯片價格也不低。文獻［11］設計了成本低廉的控制器，但它采用開環位置控制，沒有轉子位置反饋，效率低、速度低、噪聲大，因此，這類電機的控制系統值得進一步研究。

針對上述研究現狀，本文重新設計了6 相嚙合式電動機控制系統，并從以下幾點作了改進:設計了少光耦的位置傳感器，用3 個光耦實現了6 相電機的位置檢測;用軟件法實現了觸發信號之間的角度細分，省去了增量式光電編碼器;用8 位單片機代替了32 位芯片實現了固定開關角和變開關角的控制。總之，用低成本器件實現了良好的控制效果。

1 嚙合式電動機的基本特點

6 相嚙合式電動機的基本結構如圖1 所示。定子與轉子同時是一對相嚙合的齒輪減速器，定子為太陽輪，轉子為行星輪，轉子繞定子中心作公轉和自轉的復合運動。定子齒輪在適當位置斷開，形成磁極，繞上線圈，在控制器作用下各相依次通電吸引轉子邊嚙合邊旋轉。轉子的公轉和自轉可以由機構分離輸出［2］，其公轉為減速前的高速運動，自轉為減速后的低速大力矩運動，因此這類電機可有兩種輸出動力，圖1 中的輸出軸為低速輸出端。與4 相電機相比，本文的6 相電機更平穩，負載能力更強。嚙合式電動機的控制跟無刷電動機類似，也需根據轉子位置投勵，這就需要解決轉子位置檢測問題。

圖1 6 相嚙合式電動機的基本結構

2 轉子位置檢測方法

2.1 轉子位置傳感器的設計

轉子位置檢測可采用磁敏元件或光敏元件，本文采用開式光耦配合遮光板來實現。由于6 相電機的相數偏多，若每相用一個光耦，則成本高且接線復雜，這里用3 個光耦來檢測轉子相對于6 相繞組的位置，原理如圖2 所示。其中3 個光耦位置分別對準A、C、E 三相繞組中心線;遮光板開一個60°缺口，并以如圖2 所示的位置為零位。

圖2 光耦與遮光板的安裝位置關系

將圖中的光耦和遮光板集成在一起，做成一個位置傳感器，通過適當的方式與電機本體連接。

2.2 光耦信號處理

光耦信號需要經過適當的處理才能使用，處理電路如圖3 所示。

圖3 光耦信號處理電路

圖3 中，當光線被遮住時，3 腳輸出高電平;當光線通過時，3 腳輸出低電平。3 腳的信號經施密特觸發整形電路整理為邊沿很陡的方波，然后經過取反運算，改變為光線被遮住時輸出低電平、開口經過光耦時輸出高電平，由此可得三個光耦的輸出信號與轉子位置關系，如圖4 所示。

由圖4，轉子每轉過60°，會觸發一個信號跳變沿，一周內共產生6 個跳變沿，這就可用3 個光耦信號驅動6 相繞組，完成位置檢測功能。同時把三路信號經“或”運算，合成連續的方波，如圖4 中的“合成信號”，該信號可用于電機轉速測量和角度細分。

圖4 光耦輸出信號

2.3 位置傳感器與電機本體的連接

嚙合式電動機的轉子做公轉和自轉兩種運動，由電機的左右兩個半軸分離輸出。位置傳感器必須連接到公轉輸出端，并保證遮光板與轉子的位置關系。具體方法是:先把傳感器支架與電機本體連接，然后給F 相通電，把轉子吸到F 相中心線位置;順時針轉動傳感器軸，使得光耦1 的輸出信號剛好為上升沿觸發態，此時遮光板正位于零位，用聯軸器把傳感器與電機的公轉軸緊固在一起即可。安裝方式如圖5 所示。

圖5 位置傳感器與電機本體的連接

3 控制系統的設計

3.1 控制系統的硬件結構

控制系統整體結構如圖6 所示。主控芯片采用ATMEGA64，它是一種8 位單片機，成本遠低于32位高端芯片。三路光耦信號連接到外部中斷引腳INT0 ～INT2，通過外部中斷實現快速換相。三路光耦經“或”運算的合成信號連接到定時器T1 的捕捉引腳IC1，用于轉速測量。電位器給出的電壓信號經過AD 轉換用于轉速設定，電機的電流和電壓檢測信號經過AD 轉換，用于過流和過壓保護。6 相繞組的開關信號由IO 端口PA1 ～PA6 輸出，PWM調速信號由定時器T3 的比較輸出引腳OC3A 輸出，它們經過合成用來驅動功率器件，控制電機運轉。

圖6 電機主控制器硬件結構

3.2 功率驅動電路

6 相功率驅動電路相互獨立，結構基本一致，以A 相為例，其驅動原理如圖7 所示。

圖7 功率驅動電路

A 相開關信號PA1 與PWM 信號經與門合成后接到上橋驅動端，實現上橋開關和斬波;A 相開關信號直接接到下橋驅動端，控制下橋通斷。經過IR2106 完成電平轉換后，分別接到上下橋功率器件的柵極，最終控制繞組電流。

繞組驅動采用不對稱半橋電路。當上下橋同時導通，A 相勵磁;當PWM 斬波信號到來，上橋關斷下橋導通時，A 相處于非能量回饋續流狀態，把儲存的磁場能轉化為機械能，這可以提高功率因數;當上下橋同時關斷，A 相處于能量回饋續流狀態，通過二極管D5、D6 向電源回饋能量，使續流電流迅速衰減為零，以盡量減小負扭矩。改變PWM 波占空比，可實現電機調速。這種方式比上下橋同時進行PWM 斬波有更高的效率。

3.3 固定開關角換相邏輯的實現

圖8 順時針公轉時固定開關角換相法則

電機6 相繞組的電感隨轉子位置變化而改變，各相電感與轉子位置角的變化關系如圖8 所示。在每相繞組的電感上升區通電會獲得正扭矩，在電感下降區則產生負扭矩，因此要在電感上升區通電，電感下降區斷電。照此原理，圖8 給出了轉子順時針公轉時的換相時刻及開關順序。圖中換相時刻正好對應著一個光耦信號的升降沿，此時單片機會觸發一次外部中斷，當中斷到來時判斷當前引腳的電平就可獲知轉子具體位置，決定換相邏輯。例如，若INT0 中斷觸發，則在子程序中判斷INT0 引腳電平，若為高電平，說明此時轉子位于0°位置，需開通A相關閉F 相;若為低電平，說明轉子位于60°位置，則開通B 相關閉A 相;以此類推。

以上是順時針公轉的方法，逆時針公轉時按相反順序換相即可。這就是固定開關角的換相邏輯。

3.4 轉速的測量與角度細分

三路光耦相“與”合成信號如圖4 所示。其中每個升降沿對應轉子轉過60°機械角，利用定時器T1 的捕捉功能，可測出相鄰兩升降沿的時間差ΔT1。將ΔT1的時間單位轉化為秒，注意到轉子公轉一周會觸發6 個升降沿，可得出電機轉速n:

這樣測出的轉速為公轉速度，除以減速比可以得到電機自轉輸出端的轉速。既然已測得轉子轉過60°機械角的時間ΔT1，若再用定時器測出任意時間間隔Δt，就可得Δt 內轉子轉過的機械角:

這樣就能用定時器測出任意時刻轉子的位置角，實現了相鄰兩升降沿之間的角度細分。

3.5 變開關角的換相方法

固定開關角換相方法用于電機起動階段是可以的，但在電機正常運轉之后對扭矩輸出有所不利。這是因為:1)該方法在電感上升階段才開通，此時電感逐漸增大，相電流增長會越來越困難，特別在高速運轉時電流嚴重受限，輸出扭矩會減小很多;2)在電感最高位置處才關斷，繞組續流時轉子已進入電感下降區，會產生阻力扭矩，降低電機效率。所以應把繞組開關角適當提前，并合理調節，可顯著高電機的轉速和效率。這就是變開關角控制。

上節已解決了角度細分測量問題，這使變開關角控制成為可能。具體方法是在外部中斷到來時啟動兩個定時器，分別測量開通角和關斷角，當所測角度達到預期位置時就對某相開通或關斷。圖9 舉例說明了具體的變開關角控制方法。

如圖9 所示，當在0°角外部中斷觸發時，立即啟動T0 和T2 進行角度測量。合理設置定時器的初值和預分頻，可使得當測量角到達換相位置時，T0和T2 正好觸發溢出中斷，此時可在T0 中斷子程序中開通B 相，在T2 中斷子程序中關斷A 相。若在60°角觸發外部中斷，則在T0 和T2 溢出中斷時開通C 相和關斷B 相，以此類推。所有相的開通都在T0中斷時完成，所有相的關斷都在T2 中斷中完成，這樣就用2 個定時器實現了變開關角控制。

圖9 變開關角換相方法

4 試驗測試

本文自行搭建了嚙合式電動機測試裝置。它主要由嚙合式電動機、扭矩傳感器、磁粉制動器等部件構成，其結構原理如圖10 所示。磁粉制動器可調節輸出扭矩，扭矩傳感器的測量值經過采集卡上傳到PC 機;電機的轉速、電流、電壓信號由本文設計的電機控制器測量，通過串口上傳PC 機，經過數據匯總畫出曲線。

圖10 電機測試裝置結構

電源電壓采用直流36 V，保持自轉輸出端的輸出扭矩4 N·m 不變，通過增加占空比和改變開關角，不斷提高電機轉速，測得電機公轉轉速可達8 000 r/min 以上，此時開關角:比固定開關角提前8.5°開通，提前5°關斷。通過數據匯總，畫出恒扭矩條件下公轉轉速與電機效率曲線如圖11 所示。可見，變開關角控制方法使電機效率明顯提高，恒扭矩運行最高效率達82%以上，平均效率也在70%左右。而普通控制器在相同條件下公轉轉速還不到4 000 r/min，最高效率也小于60%，本文控制系統顯著提高了控制品質。

圖11 恒扭矩條件下所測系統效率曲線

圖11 中的轉速為公轉轉速，該嚙合式電動機的減速比為1∶ 28，除以減速比可得到自轉輸出端的轉速。

5 結 語

本文設計了6 相嚙合式電動機經濟型位置反饋控制系統，用8 位單片機取代了昂貴的32 位主控芯片;用3 個光耦實現了6 相電機的位置檢測;用軟件方法實現了角度細分測量，省去了增量式光電編碼器。該系統最終實現了6 相電機的固定開關角和變開關角控制。試驗表明該系統顯著提高了嚙合式電動機的運行品質，恒扭矩條件下電機的最大公轉轉速提高到8 000 r/min 以上，平均效率提高到70%以上。

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